郭肖肖，付建华，刘志奇，时晓向

（太原科技大学 材料科学与工程学院，山西 太原 030024）

内花键轴热挤压成形的数值模拟分析

郭肖肖，付建华，刘志奇，时晓向

（太原科技大学 材料科学与工程学院，山西 太原 030024）

根据内花键轴零件的形状尺寸特点，分析内花键轴成形的工艺方式，运用有限元软件DEFORM－3D对内花键轴热挤压成形过程进行数值模拟，对成形过程中凸模的载荷－行程曲线和挤压件温度场进行分析，并研究坯料加预热温度和挤压速度对挤压力的影响，分析得到坯料的最佳加热温度范围为1100℃～1200℃，最合理的挤压速度为10mm/s左右，为同类零件的加工及生产提供理论依据。

热挤压；数值模拟；DEFORM－3D；内花键轴

内花键轴作为传动零件，其承载能力强、导向性好、对中性好[1]，是汽车传动的重要组成部件。近年来，随着汽车、轮船、航天等领域制造业的快速发展，对内花键轴的需求及使用要求不断提高[2][3]。传统的成形内花键的方法—插齿、拉齿，在加工高强度、高精度大模数内花键时费时费力，零件强度低，机械性能差，生产效率和材料利用率低，不能满足大批量生产的要求[4]。热挤压是一种高效、低耗的金属塑性成形工艺，机械加工余量小，成形件的结构和机械性能远远高于机加工件。由于高温下材料的塑性提高，变形抗力降低，所以热挤压工艺可以成形硬度、强度较高的材料以及断面形状比较复杂，尺寸比较大的零件[5]。

1 内花键轴成形工艺流程的制定

如图1所示为内花键轴零件图，其中包括外轴的不连续且梯度较小的台阶和大模数内花键两部分，属于断面比较复杂的对称零件。采用的40Cr材料在室温下强度、硬度都较高，塑性较低，不易发生塑性变形。此内花键轴成形的传统工艺为：下料（圆棒）－中频炉加温－镦粗－挤压毛坯－冲孔－车外圆－拉内齿。该工艺生产周期长，生产效率和材料利用率都比较低，不能满足大批量生产的要求。由于该零件在工作时受力情况比较复杂，需要较高的力学性能，所以本文提出成形内花键轴的新工艺流程：下料（空心坯料）－中频炉加温－挤压－热处理－机加工。与传统工艺相比，精简了工序，减少了设备投入，提高了生产效率和材料利用率，且降低了冲孔对材料的浪费，是一种节材、高效的生产工艺。

图1 内花键轴零件图

2 热挤压工艺分析

2.1 热挤压件图

根据零件形状及对热挤压工艺的分析，外轴的不连续台阶梯度较小且高度很小，不易成形，选择直接挤出台阶的最大径。同时根据零件的尺寸精度、形位公差以及使用要求[6]，两端面和外轴都要留有一定的机加工余量，内花键要与轴类件相配合，精度要求较高，也需留加工余量。设计出的热挤压件图如图2所示。

图2 热挤压件图

2.2 热挤压工艺方案

根据挤压前、后体积不变原则，采用逆向法计算得到坯料的体积[7]，由此根据挤压件产品图可确定成形内花键轴的坯料体积。根据热挤压件的结构特点，同时考虑充型时金属的流动性，选取如图3空心坯料ø82×ø34×40mm进行挤压，一次成形内花键和外轴台阶，只是随着上模的下移，内花键和外轴台阶两部分先后完成。

图3 坯料示意图

3 内花键轴热挤压工艺数值模拟

3.1 有限元模型的建立

内花键轴选用的材料为40Cr，对应DEFORM－3D中的美国编号AISI－5140[1450－2200F（800－1200℃）]。采用空心坯料，闭式模腔，在模具的间隙处会出现微量飞边，不影响挤压件的表面质量，而且这些飞边在机加工后会被去[8]。模具选用4Cr5MoSiAl，对应DEFORM－3D中的A－H－13，假定为刚性体，分别预热到300℃，热传导系数取11W/（m2·K），选择塑性剪切摩擦模型[9]。

由于热挤压件为对称体，为了节省模拟时间和存储空间，取其1/4进行数值模拟计算，设定网格数为4万个，且进行局部细划分，当网格出现畸变较大时系统会自动重划分网格。增步量为每步0.22mm，采用刚塑性材料本构关系，建立成形内花键轴的有限元模型[10]，设置不同的参数进行数值模拟。图4为内花键轴热挤压成形过程图。

图4 内花键轴热挤压成形过程图

3.2 数值模拟结果分析

3.2.1 对变形过程中挤压力的分析

模拟参数按表1所示设定。整个挤压过程凸模的载荷－行程曲线见图5，大致可以分为三个阶段。第一个阶段为初始挤压花键阶段，从曲线的趋势来看挤压力是先增大后减小的。这是因为随着凸模的下移，变形区逐渐增大，坯料与模具的接触面积变大，致使变形力和摩擦力都会增大，凸模继续下移，坯料逐渐与模具变形部位脱离，变形区变小，变形力变小；第二个阶段为第一个台阶成形阶段，大体趋势是先陡升后趋于平稳。该阶段凸模挤压坯料下移，迫使部分坯料从凹模锥形孔中挤出，变形后的金属顺着凹模孔流出，此过程变形程度较大，所以需要的挤压力也会很大。第三个阶段为第二个台阶成形阶段，该阶段凸模继续向下运动，没有进入模孔的金属能够平稳地向下移动直到流入凹模型腔的第二个锥形区域，该挤压过程中挤压力的变化与第一个台阶成形时的挤压力变化相似，都使得凸模的受力急剧上升，随后金属从第二个模口中挤出后，挤压力在最大值附近波动，且波动稍大，最大值达到398kN。

表1 模拟参数的设定

图5 凸模的载荷－行程图

3.2.2 对变形过程中温度场的分析

在开始挤压前，坯料与环境及凹模有短时间接触，表面有少许温降。随着凸模下移，花键部位成形初期，金属有向外径扩张的趋势，最终与型腔接触，此部分金属温度下降较快，随后金属带流入凹模孔内，变形程度增大，变形后的金属温度稍有升高，这是由于摩擦力做功产生热量。如图6所示为坯料挤压终了时温度分布图，由图可看出挤压件的温度分布是呈阶梯状的，由里向外逐渐减小。由于坯料下端面金属只与环境发生热交换，所以该部位温度较高。挤压终了时热挤压件的最高温度为995℃，位于热挤压件的中心部位，这是由于在挤压过程中坯料在挤压力的作用下发生塑性变形，塑性变形产生塑性功，大部分的能量转化为热能，而摩擦力做功也会产生热能，这些热能在坯料内部释放不出去，最终被坯料本身吸收，从而使得该部位温度较高。挤压终了时最低温度在第二个台阶拐角处，与模具长时间接触，热量损失较多，温度下降较快，降至561℃。

图6 挤压结束时的温度分布图

3.3 坯料加热温度对变形力的影响

固定表2中各参数，数值模拟坯料在不同加热温度下的内花键轴热挤压成形过程，得到不同加热温度下凸模的载荷－行程曲线如图7所示。

表2 模拟参数的设定

图7 不同加热温度下凸模的载荷－行程图

由图7可看出，各温度下曲线的变化趋势大致是相似的，但随着温度的升高，凸模所受载荷明显降低，而且在金属进入模孔成形台阶时，载荷上升的梯度有明显降低的趋势。这是由于坯料温度升高，有利于坯料内部的金属流动，在进行大塑性变形时，坯料内部金属变形的剧烈程度减弱，从而使得变形抗力降低。根据该零件材料的流动应力应变曲线可知，随着温度的降低，流动应力是逐渐升高的，那么发生相同的塑性变形，变形抗力是逐渐增大的。由此可知，坯料在较低的温度下，流动应力较高，在挤压过程中需要较大的变形力才能成形内花键轴，此过程模具的破坏程度较大，而且吨位高的压力机造价高，不经济。由图可看出加热温度为800℃时的挤压力为1200℃时的两倍还多，相差很大。但加热温度也不是越高越好，过高的挤压温度虽然能大大降低坯料的变形抗力，但也会加剧坯料表面的氧化程度，影响挤压件的质量，同时对加热设备的要求也会升高，容易氧化模具表面，使其寿命降低[5]。综合以上分析，同时考虑实际生产条件，毛坯的加热温度最好选在1100℃～1200℃范围内。

3.4 挤压速度对挤压力的影响

固定表3中各参数，数值模拟不同挤压速度下的内花键轴成形过程，得到不同挤压速度下凸模的载荷－行程曲线如图8所示。从图中六条曲线的变化趋势可看出，在挤压的初始阶段，挤压速度对挤压力影响不大，在成形两个台阶阶段，挤压力是随着挤压速度的增大先是降低之后趋于平稳。在较低的挤压速度范围（2mm/s～10mm/s）内，随着工作速度的加快，坯料与模具的接触时间变短，热交换量变少，坯料温度下降的较少，根据材料的流动应力曲线可以看出，流动应力较小，从而降低了金属的变形抗力。在较高挤压速度范围内，温差对挤压力的影响较小可忽略不计，挤压速度的增大会导致金属变形的应变速率增大。根据材料的本构特性曲线可知，金属的流动应力增大，导致变形抗力升高，从而使成形所需挤压力变大，同时应变速率的增大会使变形过程中的温度效应增大，致使坯料温度升高；同时也可促进金属的回复和再结晶，使金属塑性提高[11]，从而降低了变形抗力。两方面的作用导致变形抗力上升和降低的幅度相抵消，因而会出现在某个速度范围内（10mm/s～80mm/s）挤压力变化不大的结果。挤压速度过小，影响生产效率，挤压速度过大，会造成挤压终了温度升高，致使金属晶粒粗大，所以选取合适的挤压速度非常重要。

表3 模拟参数的设定

图8 不同挤压速度下凸模的载荷－行程图

综合以上挤压速度对挤压力的影响，同时考虑在实际生产中既要保证零件的生产效率和质量，又要最大限度地减小挤压力，所以合理的挤压速度应选择在10mm/s左右。

4 结论

对内花键轴的热挤压成形过程进行工艺设计，运用DEFORM－3D对内花键轴的成形过程进行数值模拟，得到以下结论：

（1）通过对成形过程中的挤压力及温度场分析，验证了采用热挤压工艺成形内花键轴的可行性。

（2）坯料加热温度对挤压力的影响较大。随着预热温度的升高，挤压力是逐渐降低的。温度过低，变形抗力急剧增大，所需的挤压力非常大；温度过高，浪费能源且易造成模具损坏。通过研究不同加热温度对成形力的影响，得到坯料加热温度的最佳选取范围为1100℃～1200℃。

（3）挤压速度在较低时对挤压力影响较大，随着挤压速度的升高挤压力逐渐减小；当挤压速度增大到一定程度，挤压力变化不大。通过研究不同挤压速度对挤压力的影响，得到合理的挤压速度为10mm/s左右。

（4）与传统的插齿、拉齿成形内花键相比，采用热挤压工艺，不仅可提高零件的机械性能和力学性能，也可大大提高零件生产效率。

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Numerical simulationanalysis of hot extrusion forming process for internal spline shaft

GUO Xiaoxiao,FU Jianhua,LIU Zhiqi,SHI Xiaoxiang
（School of Materials Science and Engineering,Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024，Shanxi China）

According to the characteristics of shape and dimensions of internal spline shaft,the forming process of the internal spline shaft has been analyzed.The numerical simulation has been conducted to the hot extrusion forming process for internal spline shaft by use of finite element software DEFORM－3D.The loadstroke curve of convex die and the extrusion temperature field of forming process has been analyzed.The influence of heating temperature and extrusion speed of the billet to the extrusion force has been studied.It is obtained that the optimum heating temperature range of the billet is 1100℃～1200℃,and the most reasonable extrusion speed is about 10mm/s,which provides theoretical reference for the processing and production of same kinds of parts.

Internal spline shaft;Hot extrusion;Numerical simulation;DEFORM－3D

TG376.2

A

10.16316/j.issn.1672－0121.2016.04.031

1672－0121（2016）04－0105－04

2016－03－10；

2016－05－16

郭肖肖（1989－），女，硕士在读，主攻金属塑性成形工艺及模拟研究。E－mail：315343825＠qq.com